铝合金铸件的热处理

铝合金铸件的热处理是指按某一热处理规范 , 控制加热温度、保温时间和冷却速度 , 改变合金的组织 , 其主要目的是 : 提高力学性能 , 增强耐 腐蚀性能 , 改善加工性能 , 获得尺寸的稳定性。铝合金铸件的热处理工艺可以分为如下四类 :

    1. 退火处理 将铝合金铸件加热到较高的温度 , 一般约为 300 ℃ 左右 , 保温一定的时间后 , 随炉冷却到室温的工艺称为退火。在退火过程中 固溶体发生分解 , 第二相质点发生聚集 , 可以消除 铸件的内应力 , 稳定铸件尺寸 , 减少变形 , 增大铸件的塑性。

     2. 固溶处理 把铸件加热到尽可能高的温度 , 接近于共晶体的熔点 , 在该温度下保持足够长的时间 , 并随后快速冷却 , 使强化组元****限度的溶解 , 这种高温状态被固定保存到室温 , 该过程称为固溶处理。固溶处理可以提高铸件的强度和塑性 , 改善合金的耐腐蚀性能。固溶处理的效果主要取决于下列三个因素 :

    (1) 固溶处理温度。温度越高 , 强化元素溶解速度越快 , 强化效果越好。一般加热温度的上限低于合金开始过烧温度 , 而加热温度的下限应使强化组元尽可能多地溶入固溶体中。为了获得最好的固溶强化效果 , 而又不便合金过烧 , 有时采用分级加热的办法 , 即在低熔点共晶温度下保温 , 使组元扩散溶解后 , 低熔点共晶不存在 , 再升到更高的温度进行保温和淬火。固溶处理时 , 还应当注意加热的升温速度不宜过快 , 以免铸件发生变形和局部聚集的低熔点组织熔化而产生过烧。固溶热处理的悴火转移时间应尽可能地短 , 一般应不大于 15s, 以免合金元素的扩散析出而降低合金的性能。

    (2) 保温时间。保温时间是由强化元素的溶解速度来决定的 , 这取决于合金的种类、成分、组织、铸造方法和铸件的形状及壁厚。铸造铝合金的保温时间比变形铝合金要长得多 , 通常由试验确定 , 一般的砂型铸件比同类型的金属型铸件要延 长 20%-25% 。

    (3) 冷却速度。 淬火时给予铸件的冷却速度越大 , 使固溶体自高温状态保存下来的过饱和度也越高 , 从而使铸件获得高的力学性能 , 但同时所形成的内应力也越大 , 使铸件变形的可能性也越大。冷却速度可以通过选用具有不同的热容量、导热性、蒸发潜热和粘滞性的冷却介质来改变 , 为了得到最小的内应力 , 铸件可以在热介质 ( 沸水、热 油或熔盐 ) 中冷却。

    为了保证铸件在淬火后 , 同时具有高的力学性能和低的内应力 , 有时采用等温淬火 , 即把经固溶处理的铸件淬入 200-250 ℃ 的热介质中保温一定时间 , 把固溶处理和时效处理结合起来。

    3. 时效处理 将固溶处理后的铸件加热到某一温度 , 保温一定时间后出炉 , 在空气中缓慢冷却到室温的工艺称为时效。如果时效强化是在室温下进行的称为自然时效 , 如果时效强化是在高于室温并保温一段时间后进行称为人工时效。时 效处理进行着过饱和固溶体分解的自发过程 , 从而使合金基体的点阵恢复到比较稳定的状态。

    时效温度和时间的选择取决于对合金性能的要求、合金的特性、固溶体的过饱和程度以及铸造方法等。人工时效可分为三类 : 不完全人工时效 , 完全人工时效和过时效。不完全人工时效是采用比较低的时效温度或较短的保温时间 , 获得优良的综合力学性能 , 即获得比较高的强度 , 良好的塑性和韧性 , 但耐腐蚀性能可能比较低。完全人工时 效是采用较高的时效温度和较长的保温时间 , 获得****的硬度和最高的抗拉强度 , 但伸长率较低。 过时效是在更高的温度下进行 , 这时合金保持较高的强度 , 同时塑性有所提高 , 主要是为了得到好的抗应力腐蚀性能。为了得到稳定的组织和几何尺寸 , 时效应该在更高的温度下进行。过时效根据使用要求通常也分为稳定化处理和软化处理。

    时效处理时 , 合金元素沉淀的过程大多需要经过以下四个阶段 :

   (1) 形成 g-p ⅰ 区。固溶体点阵内原子重新组合 , 出现溶质原子的富集区 , 伴随着点阵畸变程度增大 , 提高合金的力学性能 , 降低合金的导电性。

   (2) 形成 g-p ⅱ 区。合金元素的原子以一定比例进行偏聚形成 g-p ⅱ 区 , 为形成亚稳相作准备 , 合金的强度进一步提高。

   (3) 形成亚稳相。 亚稳相也称过渡相 , 该相与基体呈共格联系 , 大量的 g-p ⅱ 区和少量的亚稳相相结合 , 使合金得到最高的强度。

   (4) 形成第二相质点和第二相质点的聚集。 亚稳相转变为稳定相 , 细小的质点分布在晶粒内部 , 较粗大的质点分布在晶界 , 还相继发生第二相质点的聚集 , 点阵畸变剧烈地减弱 , 显著地降低合 金的强度 , 提高合金的塑性。

上述几个阶段不是截然分开的 , 有时是同时进行的 , 低温时效第一、二阶段进行的程度要大些 , 高温时效 , 第三、四阶段进行得强烈些。

4. 冷热循环处理

     经冷热循环处理的铸件 , 由于多次加热和冷却引起固溶体点阵收缩和膨胀 , 使各相的晶格发生了少许位移 , 使第二相质点处于更加稳定的状态 , 从而提高铸件尺寸的稳定性 , 适于精密零件的 制造。

     铝合金在低温下没有脆性断裂的倾向 , 随着温度的降低 , 力学性能有某些变化 , 强度有所提高 , 但塑性却降低得很少 , 所以有时为了减小或消 除铸件内应力 , 可将铸造或淬火后的铸件 , 冷却到 -50 ℃ 、 -70 ℃ 或更低的温度 , 保持 2-3h, 随后在空气或热水中加热到室温 , 或者是接着进行人工时效 , 这种工艺称冷处理。

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